Особенности атмосферных процессов, влияющих на загрязнение воздуха в Московском регионе, и методы их краткосрочного прогноза

Кузнецова, Ирина Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Особенности атмосферных процессов, влияющих на загрязнение воздуха в Московском регионе, и методы их краткосрочного прогноза
ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Особенности атмосферных процессов, влияющих на загрязнение воздуха в Московском регионе, и методы их краткосрочного прогноза"

На правах рукописи

. 4 -

Кузнецова Ирина Николаевна

ОСОБЕННОСТИ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОЗДУХА В МОСКОВСКОМ РЕГИОНЕ, И МЕТОДЫ ИХ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА

Специальность 25.00.30 ■ метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва 2013

005538394

Работа выполнена в Федеральном Государственном Бюджетном учреждении «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации» Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Белан Борис Денисович

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева» Сибирского отделения Российской академии наук

доктор географических наук, Виноградова Анна Александровна

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова» Российской академии наук

доктор физико-математических наук, Рубинштейн Константин Григорьевич Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр Российской Федерации» Ведущая организация:

Институт экспериментальной метеорологии Федерального государственного бюджетного учреждения «Научно-производственное объединение «Тайфун», г. Обнинск

Защита состоится «4»декабря 2013 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 327.003.01 по защитам докторских и кандидатских диссертаций при ФГБУ «Гидрометцентр России» по адресу г.Москва, 123242, Большой Предтеченский пер., 11-13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Гидрометцентр России».

Автореферат разослан «14» октября 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор географических наук Нестеров Е.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Растущая урбанизация - один из важнейших факторов изменения окружающей среды. Влияние мегаполиса, вызывая изменения тепло и влагообмена, ветровых потоков и пр., вносит коррективы в классические представления о процессах в атмосферном пограничном слое (АПС). Установить ответные сигналы на антропогенное воздействие удается по данным наблюдений с высоким пространственным и временным разрешением, какими являются, в частности, использованные в работе данные профилемеров МТП-5 и измерения концентраций загрязняющих веществ на автоматизированной сети наблюдений в Московском регионе.

Простейшим проявлением многофакторного антропогенного влияния на процессы в АПС является городской остров тепла (ОТ). Описания ОТ, в основном, выполненные по наземным наблюдениям или с помощью имитационного моделирования, представлены в целом ряде публикаций. Но актуальность исследований ОТ сохраняется, в т.ч. в связи с проблемами оценки климатических изменений и благодаря признанию того, что успешность развивающихся мезомасштабных моделей атмосферы и химических транспортных моделей зависит от глубины понимания процессов городского масштаба. По-видимому, отсутствие тенденции к росту загрязнения воздуха в Московском мегаполисе при резко возросшем в последние годы парке автомобилей имеет связь с происходящими изменениями процессов в городской атмосфере, стимулирующих активизацию самоочищения воздушного бассейна. Диагностировать такие процессы в определенной мере позволило сопоставление профилей температуры в нижнем 600-метровом слое по измерениям в разнесенных пунктах Московского мегаполиса; пока аналоги полученных для Московского региона характеристик острова тепла отсутствуют.

Практическая необходимость заблаговременного предсказания ухудшения состояния окружающей среды определила общую постановку задачи и сфокусированное внимание в каждом направлении исследований автора на изучении процессов высокого загрязнения воздуха и неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий (НМУ). Хотя эпизоды значительного загрязнения воздуха регистрируются редко, их опасность связана и с высоким уровнем загрязнения, и с образованием более токсичных по сравнению с эмиссиями загрязняющих веществ (например, озон, формальдегид и т.п.).

Уровень загрязнения воздуха в мегаполисе практически всегда превышает фоновый; на сети регулярного мониторинга дальний перенос примесей в основном не фиксируется, за исключением ситуаций с природными пожарами и аэрозольных эпизодов. Изучение физических процессов, систематизация факторов и причин ухудшения качества воздуха, установление эмпирических связей между метеорологическими условиями и

аномальным загрязнением воздуха составляют научную и методическую основу разработки методов прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций.

Проблема озонового загрязнения еще недавно считалась в России неактуальной, регулярные измерения приземного озона проводились только в Томске, в Долгопрудном и на Кисловодской высокогорной научной станции. Выполненные совместно с ИФА РАН исследования по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе (КВНС) выявили связь значительных апериодических флуктуаций приземного озона с процессами синоптического масштаба. Появление регулярных наблюдений за приземным озоном на сети ГПБУ «Мосэкомониторинг» в Москве, зафиксированные в регионе летом 2002 г. высокие уровни озона при лесных пожарах стимулировали разработку статистических методов прогноза приземного озона. Эффективность разработанных совместно с ЦАО и ГГО утвержденных ЦМКП методов прогноза суточного максимума приземного озона подтвердило их применение при оперативном прогнозировании в чрезвычайных ситуациях летом 2010 г.

Статистические методы не исчерпали своих возможностей, но мировой уровень прогнозирования загрязнения воздуха сегодня определяют химические транспортные модели (ХТМ), которые позволяют восстанавливать поля концентраций загрязняющих веществ на территории с низкой плотностью измерений (или отсутствием) и прогнозировать многие компоненты загрязнения атмосферы. Но ХТМ (учитывая текущее разрешение моделей и грубое описание эмиссий) может стать надежным инструментом прогнозирования временной и пространственной изменчивости воздушных загрязнений только по результатам многофакторной верификации по данным реальных измерений концентраций загрязняющих веществ с высоким пространственным и временным разрешением. Актуальность освоения ХТМ также определяется возможностью решения на основе моделирования целого ряда научно -практических задач, например, для оценки загрязнения воздуха пока не контролируемых веществ (РМю, озон и т.п.), для определения влияния трансграничного переноса на региональное качество воздуха и мн. др.

Цель работы:

Установить количественные показатели изменений процессов в городском атмосферном пограничном слое и загрязнения под воздействием сезонно различающихся антропогенных факторов, изучить и систематизировать закономерности формирования высокого загрязнения воздуха в мегаполисе под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов и локальных метеорологических условий; с учетом специфических особенностей процессов в городском АПС разработать методы прогноза экологически опасных ситуаций, связанных с НМУ, высоким загрязнением воздуха, в т.ч. озоном, на основе прогностических данных моделей атмосферы и химических транспортных моделей.

Для достижения указанных целей поставлены следующие задачи:

Разработка методической основы и подготовка методических рекомендаций для использования данных микроволновых измерений профилей температуры в слое 0-600 м приборами МТП-5 при анализе процессов в АПС, для получения режимных характеристик и выявления закономерностей пространственно - временной изменчивости термического состояния АПС.

Изучение метеорологической обусловленности высокого загрязнения воздуха, включая озоновое и аэрозольное загрязнение; систематизация признаков и установление регулирующих механизмов в эпизодах загрязнения приземного воздуха, сформированных за счет местных эмиссий и дальнего переноса примесей. Разработка методики идентификации НМУ на основе выявленных связей загрязнения городского воздуха с отдельными метеорологическими параметрами и комплексным показателем условий рассеивания примесей в мегаполисе.

Изучение влияния процессов синоптического и регионального масштаба на нехарактерную изменчивость концентрации приземного озона по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе; анализ пространственной неоднородности поля приземного озона в мегаполисе, изучение ее временной и сезонной изменчивости, зависимости от процессов городского и регионального масштабов, разработка синоптико-статистической модели аномальных уровней приземного озона в мегаполисе.

Разработка системы прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций с использованием данных численных моделей атмосферы и химических транспортных моделей; разработка методической основы постобработки модельных прогнозов загрязнения для практического использования результатов моделирования.

Положения, выносимые на защиту и их новизна

Количественные показатели изменения термической структуры городского атмосферного слоя атмосферы под воздействием антропогенных факторов, установленные сезонные и внутрисуточные характеристики городского острова тепла в Московском мегаполисе, впервые полученные по данным микроволнового зондирования в нижнем 600-метровом слое, на основе впервые разработанных методических рекомендаций. Выявленные специфические городские явления - преобладающая термическая неустойчивость над мегаполисом, воздействие внутригородских циркуляций, вынуждаемая потерями антропогенного тепла конвекция - впервые интерпретируются с позиций усиления механизмов самоочищения городской атмосферы посредством активизации внутригородского переноса и рассеивания примесей.

Разработанный метод определения метеорологических условий загрязнения, включая неблагоприятные условия для очищения воздуха от нримесей (НМУ), основанный на результатах проведенных исследований связей атмосферных процессов и загрязнения воздуха в мегаполисе, систематизации причин и факторов формирования высокого газоаэрозольного загрязнения за счет влияния локальных источников и дальнего переноса примеси. Представленная обусловленность увеличения в теплый сезон повторяемости НМУ, способствующих повышению уровня загрязнения и увеличению пространственной неоднородности полей загрязняющих веществ. Впервые по данным мониторинга загрязнения воздуха в мегаполисе показаны различия механизмов влияния сдвигов скорости ветра в ночном устойчивом АПС, способствующих очищению приземного воздуха в обычных условиях и, наоборот, - повышению загрязнения приземного слоя при адвекции примесей (дальний перенос, шлейфы природных пожаров).

Разработанная синонтико-статистическая модель приземного озона в Московском регионе, основанная на идентификации метеорологических условий, сопутствующих «аномальным» уровням приземного озона, включая формирование высоких концентраций за счет антропогенного и тропосферного озона. Впервые по данным сетевых измерений продемонстрирована значительная пространственная неоднородность поля приземного озона в мегаполисе с увеличением концентрации озона от примагистральных районов к подветренным окрестностям, а также - связь летнего максимума приземного озона с увеличением повторяемости НМУ.

Интерпретация и система постобработки модельных прогнозов концентраций загрязняющих веществ химической транспортной модели, впервые продемонстрированные на результатах сопоставления данных мониторинга в Московском регионе с первичными и скорректированными модельными расчетами концентраций.

Достоверность результатов.

Выводы, представленные в диссертационной работе, обеспечены корректностью постановки проводимых исследований, обоснованы количественными расчетами с использованием данных открытого доступа с применением стандартных методов анализа. Достоверность выводов подтверждается удовлетворительными результатами сравнения расчетов с данными инструментальных измерений и согласуется с выводами, полученными другими отечественными и зарубежными исследователями.

Практическая значимость.

• Разработанная автором диссертации методика анализа процессов в АПС по измерениям отечественным прибором МТП-5 стала основой «Методических рекомендаций по использованию данных профилемеров МТП-5» и Справочного пособия «Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое атмосферы по данным профилемеров МТП-5», утвержденных ЦМКП Росгидромета, значимость которых определяется возможностью диагностировать и учитывать в прогнозах метеорологических условий и загрязнения специфические процессы в городском воздухе, а за счет снижения числа ложных тревог НМУ повысить успешность этих прогнозов.

• Разработанный автором метод идентификации метеорологических условий загрязнения (включая НМУ) с учетом наблюдений, прогнозов мезомасштабных моделей атмосферы и данных МТП-5 используется в оперативной работе по прогнозированию метеорологических условий и загрязнения в ФГБУ «Гидрометцентр России», ФГБУ «Центральное УГМС» Росгидромета и ГПБУ «Мосэкомониторинг».

• Разработанная синоптико-статистическая модель приземного озона используется в ФГБУ «Гидрометцентр России» в качестве первого приближения в ситуациях, предполагающих повышение концентрации приземного озона до опасных уровней. Разработанная методика расчета метеорологического параметра озонового загрязнения активно использовалась для прогнозирования качества воздуха в период пожаров летом 2010г.

• Разработанные с участием автора «Методика прогноза максимальных уровней приземного озона в г. Москве с заблаговременностью 48 ч» и «Методика прогнозирования суточных максимумов концентрации приземного озона» успешно прошли оперативные испытания, одобрены ЦМКП Росгидромета и используются в оперативной практике в ФГБУ «Гидрометцентр России».

• Разрабатываемая при личном участии диссертанта методика интерпретации модельных расчетов концентрации загрязняющих веществ является инструментом мониторинга качества численного прогноза воздушных загрязнений; разработанная методология постобработки модельных расчетов служит основой статистической коррекции с целью приближения точности модельных расчетов к требованиям пользователя.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях секции Учёного совета Гидрометцентра России, на семинарах в Институте Физики атмосферы РАН, в Главной Геофизической Обсерватории, НТС МосЦГМС, на 26-32-м Апатитском семинаре "Физика авроральных явлений" (Апатиты, 2003 - 2009), а также на международном рабочем совещании "Tropospheric Ozone Research -2" (Москва, 2002 г.),

Четырехгодичных симпозиумах по озону (Греция, 2004; Трёмсё, Норвегия, 2008), Генеральной ассамблеи Европейского союза по наукам о Земле (2004, 2010, 2011 гг.), Всероссийских конференциях «Научные аспекты экологических проблем России» (Москва, 2001, 2006), 3-м Международном симпозиуме по управлению качеством воздуха в городском, региональном и глобальном масштабах (Стамбул, 2005), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS (Томск, 2002, 2004 гг.), 4-й научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2004), 5-й, 6-й и 7-й Международных конференциях по климату городов (Лодзь, Польша, 2003, Гетеборг, Швеция, 2006; Иокогама, Япония, 2009), 14-й, 15-й, 18-й и 19 Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2008, 2009, 2011, 2012); Всероссийской конференции «Исследование процессов в нижней атмосфере при помощи высотных сооружений» (Обнинск, Россия, 2008), AGU Fall Meeting, 13-17 December 2010 - San Francisco, USA. Международной научной конференции по региональным проблемам гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды (Казань, октябрь 2012 г.).

Публикации.

Автором в соавторстве и самостоятельно опубликовано более 100 печатных работ. По теме диссертации основные результаты опубликованы в 31 статье входящих в перечень ВАК научных изданиях (включая 4 статьи в международных журналах из системы цитирования Web of Science), в 9 статьях в иных научных изданиях, а также в 52 тезисах докладов в изданиях трудов конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 300 страниц, включая 89 рисунков и 29 таблиц. Список литературы содержит 265 наименований.

Личный вклад автора.

Автором разработаны методологические основы интерпретации данных измерений отечественного прибора МТП-5 для их практического использования и сделан основной вклад в подготовку прошедших ЦМКП Росгидромета методических документов.

В работах по разработке методов синоптико-статического прогноза метеорологических условий загрязнения (в т.ч. приземным озоном) автору принадлежат идеи исследований, постановка задач, разработка методов исследований, внедрение полученных результатов в практику оперативного прогнозирования загрязнения воздуха. Все новые научные результаты в части установления малоизученных специфических механизмов переноса и очищения городского воздуха от загрязнений в Московском мегаполисе

получены автором лично. Все исследования влияния процессов синоптического масштаба на вариации приземного озона в удаленном от антропогенных источников регионе проведены соискателем лично. В исследованиях приземного озона в городской агломерации вклад соискателя состоит в постановке научных задач, в участии в анализе и интерпретации полученных результатов, разработке метода прогноза.

Соискатель является инициатором и руководителем работ по созданию оперативной технологий прогнозирования качества воздуха с использованием химических транспортных моделей и непосредственным разработчиком методологии постобработки модельных расчетов для их практического применения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа структурно по предмету и направлениям исследований состоит из четырех частей.

В первой части (глава 1) представляются результаты исследования находящейся под антропогенным влиянием термической структуры городского пограничного слоя, полученные по данным разнесенных измерений МТП-5 в Московском регионе с привлечением данных измерений на телебашне и высотной метеорологической мачте: режимные температурные характеристики в слое 0-600 м, сезонные и внутрисуточные изменения параметров городского острова тепла, неоднородность условий термического перемешивания на территории мегаполиса, особенности образования температурных инверсий.

Вторая часть (главы 2 и 3) представляет исследования влияния атмосферных процессов различного масштаба на загрязнение приземного воздуха с акцентом на условия формирования высокого загрязнения местными источниками и за счет дальнего переноса. По данным непрерывных измерений концентраций загрязняющих веществ и температуры в АПС исследуются малоизученные процессы и явления, оказывающие значительное влияние на загрязнение воздуха в мегаполисе. Установленные закономерности учтены при разработке синоптико-статистического метода идентификации метеорологических условий загрязнения с применением комплексного метеорологического параметра.

В третьей части (главы 4 и 5) представлены исследования изменчивости приземного озона под воздействием процессов синоптического масштаба, локальных метеорологических условий в удаленном от антропогенных источников регионе и в условиях измененного состава атмосферы мегаполиса. В главе 5 обсуждаются особенности поля приземного озона в мегаполисе по данным наблюдений в городе и пригороде, а также изменчивость стратификации озона по данным измерений на телебашне. Описана методика синоптико-статического прогноза метеорологического параметра загрязнения озоном, основанная на изученных связях аномальных концентраций приземного озона с типом синоптической ситуации и

метеорологическими параметрами.

Четвертая часть (глава 6) логически завершает проведенные циклы исследований с применением синоптико-статистических методов, представляя качественно новый этап прогнозирования загрязнения воздуха на основе химической транспортной модели. Показано, что при существующем пространственном разрешении численных моделей и грубом описании городских эмиссий постобработка модельных прогнозов может обеспечить качество моделирования, необходимое для практического использования модельных расчетов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ПО ГЛАВАМ.

Во Введении описывается актуальность работы, обозначены цели и задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации и практическая значимость работы, дается краткое содержание глав диссертации.

В главе 1 обсуждаются результаты исследований термической структуры городского атмосферного пограничного слоя, изучение которой стало возможным благодаря регулярным измерениям профилей температуры в нижнем 600-метровом слое приборами МТП-5, начатым в Московском регионе в 2000 г. Применение нового вида информации обеспечено разработанными автором диссертации «Методическими рекомендациями по использованию данных профилемеров МТП-5», а также подготовленным по данным многолетних наблюдений справочным пособием «Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое атмосферы по данным профилемеров МТП-5» (п.1.1). Оба документа утверждены Центральной методической комиссией по гидрометеорологическим прогнозам Росгидромета (ЦМКП) и рекомендованы при анализе и прогнозировании метеорологических условий рассеивания, для использования в научных задачах в области физики атмосферного пограничного слоя.

Уникальные данные измерений профилей температуры приборами МТП-5 в 2-3-х разнесенных пунктах в Московском регионе с привлечением наблюдений в отдельные периоды на телебашне Останкино и на высотной метеорологической мачте в удаленном от мегаполиса г.Обнинске позволили значительно расширить представления о процессах в находящейся под воздействием антропогенных факторов атмосфере города (п.1.2). Общепринятой иллюстрацией многофакторного антропогенного влияния является городской остров тепла (ОТ). В основном для его описания используют данные наземных наблюдений. По наблюдениям в Москве на пяти городских метеостанциях (2002-2006 гг.) получено, что температурные различия в городе величиной > 5°С (что сравнимо с контрастами температуры в зоне атмосферного фронта) чаще наблюдаются летом, но зимой интенсивность ОТ достигает наибольшей величины 9-14°С (п.1.2.1). По данным наблюдений в 2007-2009 гг. установлено, что в центре Москвы -

на Красной Пресне - в среднем на 0.6 °С теплее, чем в районе Останкино (ст. ВДНХ) и на 0.65°С холоднее, чем на метеостанции Балчуг.

Рассчитанные одноуровневые разности температуры в слое до 600 м по данным МТП-5 в разнесенных пунктах Московского региона с разной интенсивностью антропогенного влияния стали основой для получения пространственных и временных характеристик городского острова тепла (п.1.2.2), Температурные различия между центром (К.Пресня) и пригородом (Долгопрудный), представленные на рис.1 для четырех срединных месяцев сезонов, иллюстрируют выраженные сезонные и суточные изменения ОТ. Общим для всех сезонов является усиление ОТ в темное время суток и практически исчезновение в послеполуденные часы. Зимой при закрытой снегом подстилающей поверхности тепловое воздействие мегаполиса, определяемое в основном потерями и прямыми выбросами тепла отопительных систем, обнаруживается в нижнем 100-метровом слое (разности температуры положительные), выше купола городского тепла образуется «линза холода», т.е. более холодный, чем в окрестностях, воздух (синяя стрелка на рис.1 январь). Летом антропогенные факторы воздействия на городскую атмосферу коренным образом отличаются от зимних, их влияние обнаруживается в слое до 300-500 метров. Территориальная неоднородность теплофизических свойств поверхности городского ландшафта и источников загрязнения, активность химических процессов в городской атмосфере обусловливают большую, чем зимой,

В благоприятных для накопления загрязняющих веществ метеорологических условиях обнаруживается характерный только для лета эффект «нагревания» приподнятого слоя (100- 400 м) ранним утром как следствие прямого поглощения солнечной радиации аэрозольными и газовыми примесями (показано стрелкой на рис.1 (июль). На осень приходится годовой минимум температурных контрастов «центр-пригород» и величины городского острова тепла.

Помимо исследовательских целей изучение острова тепла проводилось с позиций установления его влияния на стимулирование дополнительных механизмов самоочищения воздушного бассейна в мегаполисе, которые идентифицировались по различиям термического перемешивания, оцениваемого по повторяемости вертикальных градиентов температуры у в слое 0-100 м (п.1.3). Усредненная за год величина повторяемости градиента температуры у больше сухоадиабатического (уса =0.98 С/100 м) в центре Москвы составила около 70%, в пригороде - около 30%, что указывает на значительные пространственные различия условий перемешивания в мегаполисе и преобладание над центральной частью термической неустойчивости (рис. 2).

Рисунок 2. Повторяемость величин вертикального градиента температуры С/100 м в слое 0-100 м в центре Москвы (слева) и в пригороде г. Долгопрудный (справа). 2007-2009 гг.

Существенное изменение факторов влияния на городскую атмосферу от сезона к сезону отражено в сезонных различиях повторяемости градиентов температуры у> уса (п.1.3.1). Выявлено, что повторяемость у> уса летом в центре Московского мегаполиса составляет 60%, в пригороде около 40%; в отопительный сезон повторяемость у> уса в центре города приближается к 90 %, в ближнем пригороде практически не изменяется и составляет около 45%. Такое соотношение указывает на значительную роль «выбросов» городского тепла зимой, поддерживающих термическую неустойчивость в нижней части городского АПС, и проявлении парникового эффекта летом, в определенной степени препятствующего термическому перемешиванию.

Важно понимать, что сезонная специфика воздействия антропогенных факторов обнаруживаются на фоне внутрисуточных особенностей

термического перемешивания в мегаполисе (рис.3). Зимой в пригороде ночью чаще всего наблюдается приземная инверсия (у<0), она разрушается к 11 ч, а около 18 ч АПС становится термически устойчивым. Радикальные внутрисуточные преобразования термического состояния на окраинах происходят на фоне преобладания в течение суток в центре города термической неустойчивости (у>0°С/100м).

Весной формируются самые большие в году вертикальные градиенты температуры: в приземном воздухе в городе они достигают 2.2°С/100м, в

Летом при увеличении солнечной радиации вертикальные градиенты температуры по сравнению с апрелем уменьшаются (рис.3). Показательно, что это характерно только для центральной части мегаполиса и отражает изменение процессов теплообмена в городской атмосфере с повышенным содержанием водяного пара и загрязняющих примесей.

В п.1.3.2 обсуждаются особенности формирования температурной инверсии как частный случай термической устойчивости. Для анализа привлекались данные наблюдений (2007-2008 гг.) на высотной метеорологической мачте в невозмущенной мегаполисом местности в г.Обнинске. Установлено, что отношение частоты образования инверсии любого типа на удалении от мегаполиса (Обнинск), в пригороде (Долгопрудный) и в центре Москвы (К.Пресня) имеет вид 4:3:1. Самые худшие условия для рассеивания примесей - наличие приземной инверсии, анализ которых проведен по данным синхронных измерений профилемерами МТП-5 в период 2004-2009 гг., формируются в ближнем пригороде с повторяемостью примерно 20 %, а в центре Москвы - около 1%.

В разделе 1.4 анализируются изменения термического состояния АПС под воздействием загрязнения воздуха в периоды НМУ и обусловленного переносом продуктов горения биомассы из районов природных пожаров. Для установления влияния городских загрязнений по данным МТП-5 проведены сравнения температуры и динамики почасовых приращений температуры в слое 0-600 м в загрязненном и чистом воздухе (п.1.4.1). Выявлено, что при увеличении содержания загрязнений, оказывающих влияние на баланс лучистого обмена, остров тепла больше, а температурные инверсии слабее, чем в чистом воздухе.

Значительная деформация поля температуры в АПС стимулирует активизацию внутригородского переноса. В синоптических ситуациях со слабым переносом и фоновой термической устойчивостью (НМУ) внутригородские циркуляции, вынуждаемые контрастами температуры, являются главным механизмом переноса примесей из более теплой центральной части мегаполиса (из зоны термической неустойчивости) к окраинам, способствуя там (на удалении от источников) повышению загрязнения приземного воздуха.

В периоды массовых лесных пожаров одним из эффектов загрязнения атмосферы, как показано в п.1.4.2, является усиление термической устойчивости АПС вследствие прямого поглощения радиации продуктами горения; наибольшие аномальные изменения температуры обнаруживаются с увеличением высоты, следуя, по-видимому, за вертикальным «инверсионным» профилем загрязнений.

В главе 2 обсуждаются метеорологические условия в периоды значительного загрязнения воздуха в мегаполисе - в эпизодах загрязнения (п.2.1). Хотя случаи высокого загрязнения приземного воздуха - явление редкое, каждый из них в многомиллионном мегаполисе представляет угрозу нанесения вреда здоровью.

Установление строгих количественных критериев для идентификации эпизода загрязнения - непростая задача из-за высокой пространственной неоднородности загрязнения в мегаполисе, случайных или непериодических воздействий, а также из-за неоднозначности оценки ситуации при использовании нормативов ПДКмр и ПДКСС. К примеру, в Москве повторяемость концентраций N0, и СО выше ПДКмр (данные 2011 г.) составила 1-3 % (у магистралей 4-7%), но количество случаев превышения ПДКс.с. на порядок больше: Ы02 около 35% (у автодорог около 20%), N0 - 4 %, вблизи транспортных источников 40 %.

Выбор и анализ событий наиболее значительного загрязнения воздуха в Московском мегаполисе (2002-2012 гг.) составили основу их систематизации с целью идентификации причин образования и оценки возможности принятия мер для регулирования качества городского воздуха. Используя в качестве диагностик различные признаки, предложено различать эпизоды природного (пыльца, почвенный и биогенный аэрозоль) и антропогенного происхождения (МОх, СО, 03, РМ10), формирующиеся за счет дальнего переноса или местных источников; зимние (ЫОх, СО, редко 802), весенние (чаще аэрозольные, пыльца) и летние (озоновые или смешанного типа).

В разделе 2.2. анализируются атмосферные процессы при загрязнении воздуха городскими источниками. Сезонные отличия метеорологических факторов рассеивания примесей (термической устойчивости, интенсивности переноса в АПС) и химической активности атмосферы обусловливают различия пространственно-временной динамики загрязнения на территории мегаполиса в зимних и летних эпизодах. Зимние эпизоды (п.2.2.1) формируются в основном 1ЧОх и СО; предпосылками и необходимыми условиями для них в условиях ослабленной химической активности атмосферы является синхронность термической устойчивости и затишья. Температурная инверсия, признанная неблагоприятным фактором для очищения воздуха от примеси, становится таковой при ослаблении скорости не только приземного, но и ветра в АПС. По результатам анализа данных (2005-2012 гг.) выявлено, что уровень городского загрязнения начинает повышаться при образовании инверсии на окраинах города, а ночной максимум загрязнения наступает по мере перехода приземного слоя в центре мегаполиса в состояние устойчивости. Застойные синоптические ситуации могут сопровождаться пространственными аномалиями в поле концентраций: уровень загрязнения приземного воздуха на удаленных от источников подветренных окраинах города оказывается значительно выше, чем в центральной части города, что становится возможным благодаря вынуждаемым контрастами температуры внутренним циркуляциям.

В зимних эпизодах суточные максимумы загрязнения образуются на 23 часа утром позже, а вечером раньше, чем в летних эпизодах, после полудня не происходит понижения уровня загрязнения до фоновых значений.

По результатам анализа наиболее выраженных эпизодов обнаружено, что высота 150-200 м является «критической» - при меньшей толщине слоя

перемешивания уровень приземного загрязнения существенно не понижается, после подъема верхней границы слоя перемешивания выше 200 м начинается уменьшение концентраций загрязняющих веществ в приземном воздухе. Также выявлены препятствующие формированию зимних эпизодов факторы; к их числу относятся сдвиговая неустойчивость в слое инверсии температуры и так называемая «зимняя конвекция», возрастающая при усилении морозов за счет прямых выбросов и потерь городского тепла. Обнаруженное ИФА РАН с помощью акустических содаров явление зимней конвекции подтверждено и данными измерений МТП-5.

В теплый период дневная конвекция, являясь главным препятствием формирования продолжительных эпизодов загрязнения, во многом определяет увеличение амплитуды суточных изменений содержания загрязнений в приземном воздухе и главный дневной минимум загрязнения (п.2.2.2).

Вторым отличием летних эпизодов является активизация нехарактерного для зимы фактора - атмосферной химии - с образованием вторичных более токсичных, чем в выбросах, загрязняющих веществ, в т.ч. озона, формальдегида, аэрозолей. В летних эпизодах сигнатура общего загрязнения воздуха отличается от зимней внутрисуточной сменой маркеров: с вечера до утреннего прорыва АПС опасность эпизода определяется повышением уровня NOx и РМ10; после полудня к суточному максимуму стремятся образующиеся в фотохимических реакциях вторичные загрязнители (озон в их числе). Выявлено, что в эпизодах аэрозольного загрязнения могут принимать участие процессы ветрового подъема взвешенных частиц, в т.ч. перед прохождением атмосферного фронта.

Раздел 2.3 посвящен анализу эпизодов загрязнения воздуха в мегаполисе под воздействием дальнего переноса (п.2.3.1). Перенос на большие расстояния газовых загрязнений ограничен продолжительностью их жизни в атмосфере; в малых концентрациях такие примеси регистрируются только на станциях «фонового» мониторинга. Вклад адвективных загрязнений в вариации антропогенного загрязнения воздуха Москвы незначителен - на уровне шумов; исключение составляют ситуации с масштабными природными пожарами. Тем не менее, практически ежегодно (по данным 2008-2013 гг.) в период февраль-ноябрь зафиксируются случаи значительного увеличения взвешенных частиц в воздухе вследствие переноса из удаленных источников (п.2.3.2). Отличительным признаком таких событий является аномальный суточный ход РМю - отсутствие обычного послеполуденного минимума и сохранение в течение суток высокого уровня РМю. С применением траекторного анализа и анализа вертикальной структуры поля ветра в рассмотренных эпизодах установлено, что наблюдавшиеся эпизоды РМю связаны с поступлением воздушных масс в теплом секторе по западной периферии антициклона (известный механизм быстрого переноса загрязнений «warm conveyor belt»). В прошедшую над Нижним Поволжьем, западным Казахстаном, Прикаспием воздушную массу

при определенных условиях (иссушенная почва, шквалистый ветер и т.п.) попадает большое количество мелких минеральных и солевых частиц, а характерные для периферии антициклона мезоструйные течения в нижней тропосфере обеспечивают благоприятные условия для их транспортировки на расстояния до 1000 км за сутки. Очевидно, в южных регионах, в т.ч. Западной Сибири, Забайкалья, Дальнего Востока, где наблюдения за РМю пока не проводятся, аэрозольные эпизоды имеют высокую повторяемость и представляют реальную экологическую опасность.

В разделе 2.4. исследуются особенности атмосферных процессов в условиях самого сильного загрязнения атмосферы - в периоды лесо-торфяных пожаров. Отмечается, что в густонаселенных центральных областях европейской России в последнее десятилетие масштабное распространение лесных пожаров наблюдается каждые 2- 3 года (июль-август 2002, октябрь 2005, август 2007, июль-август 2010 г.), им предшествует аномально теплая погода и засуха. Установлено, что сильное загрязнение атмосферы продуктами горения биомассы способствует ряду аномальных явлений, в первую очередь, увеличению термической устойчивости, как следствие, смещению к полудню (11-12 ч) конвективного прорыва АПС и совпадающему с ним «утреннему» максимуму загрязнения. Обнаружено также, что ночные аномальные пики загрязнения приземного воздуха связаны со сдвиговой неустойчивостью; при появлении в инверсионном слое сдвигов скорости ветра наблюдается резкий рост приземных концентраций за счет добавления к городским загрязнениям продуктов горения из верхнего загрязненного слоя.

Сопоставление ситуаций с формированием высокого уровня загрязнения под воздействием местных факторов и переноса из удаленных источников позволило сделать вывод, что при адвекции примесей (дальний перенос, шлейфы природных пожаров) в ночном термически устойчивом АПС сопровождающие температурную инверсию вертикальные сдвиги скорости ветра являются основным механизмом переноса загрязнений в приземный слой. В обычных условиях (без влияния дальнего переноса загрязнений) сдвиговая неустойчивость в температурной инверсии, вызывая усиление вертикального обмена, способствует очищению приземного воздуха; при появлении ночью СТНУ утренний максимум загрязнений, обусловленный пиком городских эмиссий, значительно ослабевает или не проявляется.

Выше рассматривались предпосылки и метеорологические условия загрязнения приземного слоя. В п.2.5 обсуждаются вопросы малоизученной области физики атмосферы — процессы загрязнения пограничного слоя. Актуальность и практическая ценность такого рода исследований связаны с наблюдаемой тенденцией городской застройки - увеличением высотности зданий и сооружений в мегаполисе. Используя наблюдения на телебашне Останкино (предоставлены «Мосэкомониторинг»), исследовались связи динамики профилей концентраций СО и N0* в слое до 350 м с изменениями

термической стратификацией и скорости ветра. Делается вывод, что при общей зависимости от внутрисуточного цикла городских эмиссий (в основном, транспортных) формирование вертикального профиля первичных загрязнителей N0 и СО в эпизодах затишья в нижних слоях АПС существенно различаются: перенос угарного газа в верхнюю часть рассматриваемого слоя тесно связан с временной эволюцией температурной стратификации, с которой связь изменений вертикального распределения химически активных взаимозависимых N0 и N02 слабая.

В главе 3 обсуждаются разработанный для оперативного использования в Московском регионе метод определения метеорологических условий загрязнения и количественно выражающий их метеорологический параметр загрязнения (МПЗ). В общей постановке задачи прогнозирования загрязнения воздуха в городах приоритет предсказания наиболее опасного состояния окружающей среды, включая неблагоприятные для очищения воздуха метеорологические условия (НМУ), установлен руководящими ведомственными документами (п.3.1).Об особой значимости прогноза НМУ свидетельствует Приказ Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации № 899 от 17.11.2011.

Используемые в практической работе подходы определения НМУ различаются ориентацией на отдельные источники или на общее городское загрязнение, а также выбором критериев наступления события. Во всех случаях успешность прогноза НМУ определяется полнотой учета особенностей атмосферных процессов в урбанизированной среде и специфических характеристик загрязнения, рассмотрению последних посвящен п.3.2. Общие признаки сезонно-суточных вариаций преобладающих в воздухе мегаполиса примесей, в целом совпадающие с аналогичными характеристиками в зарубежных мегаполисах, позволяют сгруппировать воздушные загрязнения в два типа. К первой группе - с бимодальной суточной цикличностью концентрации - отнесены первичные и короткоживущие газы (СО, МОх), а также взвешенные частицы РМШ. (Вторая группа загрязнений представлена приземным озоном, рассматривается в гл.5). На фоне ритма городского транспорта (основного источника загрязнения воздуха в Московском регионе) выраженная связь внутрисуточной периодичности загрязнений с суточными изменениями метеорологических условий рассеивания является основой для разработки методики краткосрочного прогноза типовых атмосферных процессов, обеспечивающих характерный уровень загрязнения в полном диапазоне его изменчивости, без учета в явном виде химической трансформации загрязнений.

При высокой неоднородности воздушного загрязнения в Московском мегаполисе, обусловленной особенностями территориального распределения источников выбросов, и учитывая, что поле концентраций формируется под влиянием переноса и химических взаимодействий загрязняющих веществ, установление характерного уровня для типовых атмосферных условий —

непростая задача. При сравнении пространственной структуры полей угарного газа и химически активного N02 выявлена большая локализация максимумов СО к источникам (автомагистрали), чем вторичного загрязнителя N02, образование которого происходит в шлейфе N0 (п.3.3). Некоторые обсуждаемые особенности частично отражает рис.4, иллюстрирующий пространственную неоднородность поля СО с локальными максимумами, превышающими в 2-3 раза фоновые концентрации, и меньшие различия в поле N02. Нельзя не заметить, что внутри города имеются районы, где уровень загрязнения сравним с уровнем в пригородах.

Рисунок 4. Усредненные суточные максимумы концентрации а) СО (мг м") и б) N02 (мкг м"3) за период апрель - август 2012 г. АСКЗА. «Мосэкомониторинг».

Инструментально подтверждается, что различия уровней загрязнения между станциями увеличиваются при неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условиях. К примеру (рис.5), в часы пика трафика на станциях магистрального типа концентрации N02 при НМУ почти в 4 раза превышают уровень загрязнения на фоновых станциях (в зимних эпизодах НМУ контрасты могут достигать еще больших величин). Используя в качестве маркера загрязнения среднюю за сутки концентрацию РМю, выявлено, что 50-60% локальной изменчивости РМщ регулируется общими процессами, а в условиях внешнего мощного воздействия (распространение шлейфов загрязнений от лесных пожаров летом 2010 г.) возрастает до 72-98%.

Установлено (п.3.4), что более чувствительной характеристикой к воздействию атмосферных процессов синоптического и мезомасштаба является средняя по городу концентрация, чем концентрации на отдельных станциях, а лучшим маркером среди доминирующих в городском воздухе загрязнений - угарный газ (СО). По результатам оценки корреляционных

связей СО и N02 (в т.ч. с временными лагами) с 20 метеопараметрами (в т.ч. температура, лапласиан температуры и геопотенциала у земли и на и.п.925 гПа, адвективные изменения температуры, градиент температуры в слое 0 -925 гПа) получено подтверждение многокомпонентное™ исследуемых

180 160

120 , * . >

Я у. * ж

1 ЛП -1-

I ■

5 « I 8 4 . ' ♦

3:00

6:00

15:00

Рисунок 5.

Концентрация Ы02 (мкг м-3) на станциях АСКЗА. НМУ. 01.08.2012 г.

связей и сделан вывод, что сезонно конкурирующие и союзничающие три метеорологические характеристики - средняя скорость переноса в АПС, высота слоя термического перемешивания и осадки - объясняют значительную часть сезонной изменчивости содержания примесей в приземном воздухе.

Представлены сезонные особенности одного из решающих факторов метеорологической обусловленности загрязнения - среднего переноса в АПС, показателем которого может служить скорость на изобарической поверхности (и.п.) 925 гПа. По расчетам повторяемости скорости на и.п. 925 гПа (У925) на основе данных радиозондирования в Москве (Долгопрудный) в 2007-2011гг. выявлено, что обеспечивающая интенсивное рассеивание примеси скорость переноса У925 >10 м с"' наблюдается зимой примерно в 60% случаев, осенью - около 50%, весной - 40%, летом 33% - почти вдвое меньше, чем зимой (рис.6). Слабый перенос в АПС (У925 < 6 м с"1) летом отмечается почти вдвое чаще (= 45%), чем зимой, весной примерно в 40% случаев, осенью —30%.

Полученные в расчетах количественные показатели иллюстрируют, что в переходные сезоны имеет место сбалансированность факторов вертикального перемешивания и горизонтального (условно) переноса; зимой и летом этот «баланс» нарушается за счет установления доминанты одного фактора. В диапазоне максимальных значений слоя перемешивания, скорости в АПС и осадков не зависимо от сезона достаточно наличия одного из этих факторов для интенсивного очищения атмосферы. Для образования высокого уровня необходимо временное совпадение ослабления переноса, турбулентного обмена и отсутствия осадков. Эти физические закономерности являются базисом идентификации НМУ.

лето

осень

%) скорости ветра на и.п. 925 гПа.

Рисунок 6 - Сезонная повторяемость

Трудности установления связей загрязнения воздуха с атмосферными процессами при выраженной неоднородности полей концентрации в химически активной городской атмосфере в определенной степени преодолимы, если использовать для этого комплексный метеорологический параметр, описывающий состояние АПС и процессы синоптического масштаба. В п.3.5 представлен разработанный метод определения (анализ/прогноз) метеорологических условий загрязнения, основанный на количественном определении метеорологического параметра загрязнения (МПЗ), согласованного со средним (характерным) уровнем загрязнения воздуха в городе (табл. 1).

Весь диапазон метеорологических условий разделен на градации, предполагающие три типа рассеивания примеси (по сути - очищения воздуха): слабое, умеренное и интенсивное. В ходе опытного тестирования для каждой градации установлены наборы и сочетания количественных метеорологических характеристик: скорость переноса в АПС, вертикальное перемешивание и осадки. Лишь следуя традиции и учитывая, что на сети Росгидромета в статистических схемах используется синоптический предиктор, в типизации содержатся синоптические описания.

Наименьший балл (МПЗ =0.5) присвоен ситуациям с поступлением воздушной массы, содержащей продукты природных пожаров, вызывающих самое сильное загрязнение городского воздуха.

Таблица 1. Количественные характеристики и синоптическое описание метеорологического параметра загрязнения (МПЗ).__

Характери стика интенсив ности рассеивания (очищения) Скорость ветра в АПС (м с"1) Синоптическая ситуация: главные признаки Термическая устойчивость, осадки, др.признаки. Балл МПЗ

Поступление загрязненного воздуха из удаленных районов природных пожаров, крупных аварий и др. чрезвычайных событий, устанавливаемое по спутниковым изображениям, с помощью траекторного анализа переноса из зафиксированных очагов горения и др. информации 0.5

I Слабое (НМУ) Слабая в нижнем 1-1.5 км слое V(o-850)= 2-5 Малоградиентное барическое поле устойчивая стратификация инверсия температуры с нижней границей <150м 1

близкая к изотермии стратификация температуры. Без осадков 2

II умеренное Умеренная в приземном слое Vo = l-3, в слое 0.5 -1.5 км V925- 850 = 6-7 Малоградиентная периферия барического образования с выраженным направлением переноса возможны слабые непродолжительны е осадки средний слой перемешивания не выше 300 м или близкая к изотермии стратификация в слое до 300м 3

периферия антициклона 4

теплый сектор циклона, без осадков 5

периферия антициклона и слабые осадки (0.1- 3 мм/12 ч ) 6

теплый сектор циклона, моросящие осадки 7

III Интенсив ное Сильная в слое 0.5 -1.5 км V925- 850 -8 Градиентная периферия барического образования с выраженным направлением переноса, сменой воздушной массы или сильные осадки - центр циклона со слабыми ветрами, средний слой перемешивания выше 300 м 8

резкая смена возд. массы (на и.п. 925 гПа изменение температуры за 12 ч в холодный период >3 С, в теплый период > 4 С 9

- зона атмосферного фронта - умеренные или сильные осадки (больше 3 мм/12ч) 10

средняя скорость в ПСА >10 м с"1 11

Первый тип МПЗ, отражая худшие условия для очищения приземного воздуха от примесей, в принятой на практике терминологии представляет собой НМУ - неблагоприятные метеорологические условия. МПЗ с баллами 1 и 2 - это условия, способствующие повышению уровня загрязнения (до опасного и приближающегося к нему) за счет воздействия городских выбросов.

Третий тип МПЗ описывает условия очищения воздуха за счет интенсивного вертикального и горизонтального обмена, смены воздушных масс и вымывания примесей осадками (табл.1), что предполагает самый низкий уровень загрязнения на всей территории города.

Второй тип МПЗ (3-7 баллов) описывает атмосферные условия между слабым и интенсивным рассеиванием примесей, при которых на большей части города содержание примесей в приземном воздухе повышается относительно фона, не достигая критических уровней. На рис.7 иллюстрируется эффективность применения МПЗ на примере августа 2007 г, в тот период имели место практически все типы атмосферных процессов (НМУ, интенсивное рассеивание, резкая смена воздушных масс и распространение шлейфов продуктов горения лесов); при полиномиальной аппроксимации связей коэффициент детерминации МПЗ<->СО составил 0,72.

□□ У 0,030х2 - 0,686х + 4,529

|б I*2 = 0,725

г 84 ИЁП □ _

□

2 □ □ , и

□ п—'—- п

0 --,- - мгёт ба

Рисунок 7.

Связь усредненной по станциям концентрации СО с баллом МПЗ.

В принятых на сети Росгидромета схемах прогноза загрязнения производится оценка усредненных за 12 часов условий (ночь, день) или сутки в целом, что не позволяет учесть особенности суточного хода и специфику внутрисуточных флуктуаций примесей. Отчасти поэтому во многих прогностических центрах завышается число идентифицированных случаев НМУ, и, соответственно, передаваемых на городские предприятия предупреждений о необходимости сокращения выбросов при НМУ.

Используя разработанную типизацию МПЗ, с участием автора для географического региона ЦФО реализована технология автоматизированного расчета прогностических полей МПЗ, усредненного для 6-часовых внутрисуточных интервалов. На рис. 8 представлены иллюстрации прогностических полей МПЗ, рассчитанных для ночного, утреннего, вечернего и ночного (следующих суток) периодов, а также синоптическая ситуация, обеспечившая окончание периода НМУ с использованием данных метеорологических величин из численной модели атмосферы С08М0-1Ш7.

Разработанная типизации МПЗ является основой для прогнозирования загрязнения воздуха в Москве; в течение последних пяти лет она используется в оперативной практике Лаборатории метеорологических условий загрязнения в Гидрометцентре России и Московского центра по

мониторингу окружающей среды, а также в ГПБУ «Мосэкомониторинг». Простота расчета и ориентация на предсказание НМУ позволяет использовать разработанную типизацию также для верификации химических транспортных моделей.

Ночь 1 августа

Утро 1 августа

Вечер 1 августа Ночь 2 августа

Атмосферный фронт вблизи Москвы

Рисунок 8 Прогноз МПЗ для областей ЦФО для 6-ти часовых периодов 1-2 августа 2012 г., рассчитанный по метеорологическим прогнозам СОЗМО-ЬШ7. Внизу рисунков шкала МПЗ от 1 до 11. Справа - карта погоды 0 ВСВ 2 августа 2012 г.

11.08.201! 1«

02.08.2012 00

Предметом исследований, объединяющим главы 4 и 5, является озон (Оз) в приземном слое атмосферы, а также обусловливающие его наиболее значительные вариации атмосферные процессы. В главе 4 представлены исследования по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе - на Кисловодской высокогорной научной станции (КВНС) ИФА РАН.

По данным экспедиций TROICA (2000 г.) в районе Кисловодска, в т.ч. впервые проведенных там измерений МТП-5, установлено, что низкий ночной уровень озона в кисловодской котловине обусловлен высокой повторяемостью температурных инверсий (п.4.1), а на открытом

высокогорном плато КВНС на темное время суток приходится суточный максимум приземного озона, что обеспечивается притоком озона из свободной тропосферы в условиях крайне редко образующихся радиационных инверсий. Анализ связей изменчивости содержания озона в приземном слое на КВНС с процессами синоптического масштаба показал выраженную зависимость озонового режима от свойств приходящих воздушных масс (п.4.2). По результатам синоптического и траекторного анализа данных ИФА РАН (1998-1999 гг.) получено, что в рассматриваемый период регион оказывался под влиянием циклонов вдвое чаще, чем под влиянием антициклонов (36 и 17 соответственно), что наибольшие непериодические колебания 03 на КВНС отмечаются при прохождении атмосферных фронтов и перемещении циклонов со свойственной им частой сменой воздушных масс. В частности, аномальное повышение приземной концентрации 03 наблюдается в пришедшем воздухе из промышленных районов Европы, Ближнего Востока и нефтегазовых разработок Каспия. А нехарактерное понижение содержания Оз обусловлено поступлением содержащей минеральный аэрозоль воздушной массе, прошедшей над пустынными районами Азии и Северной Африки, либо связано с малоподвижным атмосферным фронтом. Выявлено, что типичный для высокогорья суточный ход Оз лучше всего проявляется в стационарном антициклоне и малоградиентном барическом поле, а нарушение суточного цикла приземного озона в виде образования днем максимума либо усиления ночного обычного пика является следствием значительных нисходящих движений.

На более представительном ряде наблюдений на КВНС (1991-1996 гг.) показаны значимые отличия среднего уровня 03 в различающихся происхождением воздушных масс (п.4.3). Секторный анализ поступавших воздушных масс на основе рассчитанных двумерных обратных траекторий длительностью 4 суток и сгруппированных в сектора переноса по исходящим координатам сопровождался для каждого из 6 секторов расчетами средней за месяц концентрации Оэ и величины ее отклонения от многолетнего значения, полученного для полного диапазона переноса. Сделаны выводы, что соотношение секторных отклонений от среднего уровня предопределяет форму сезонного хода 03 на станции, а обусловленное особенностями крупномасштабных атмосферных процессов перераспределение повторяемости секторов дальнего переноса может повлиять на тренд концентрации приземного озона на КВНС. Так, увеличение повторяемости северо-западного и уменьшение повторяемости юго-восточного секторов в июле, а также уменьшение частоты переноса с северо-запада и из юго-восточного сектора в августе могут стать причиной отрицательной тенденции приземного озона на КВНС.

Установленная при анализе случаев стратосферных вторжений на КВНС характерная сигнатура концентрации приземного озона (уменьшение -рост) при прохождении холодного атмосферного фронта (п.4.4) может

сопровождаться значительным повышением озона в высокогорье вследствие переносимого нисходящими движениями синоптического масштаба подвергшегося влиянию стратосферы воздуха из области опускания тропопаузы. И хотя на равнинных станциях такие события крайне редки (стратосферный озон приходит сильно разбавленным тропосферным воздухом), резкие колебания уровня Оз в зонах бароклинной неустойчивости являются одним из природных механизмов регистрируемых аномалий приземного озона.

Установленные для региона с низкой антропогенной нагрузкой связи вариаций озона и атмосферных процессов, их определяющая роль в появлении озоновых аномалий стимулировали разработку методики краткосрочного прогноза приземного озона в Московском регионе, которой посвящена глава 5.

Выявление пространственных и сезонных особенностей озонового загрязнения в Москве проводилось исходя из физического представления, что положительная составляющая баланса содержания озона в приземном воздухе определяется притоком тропосферного озона (природный озон) и генерацией озона в химических реакциях его предшественников (антропогенный озон), поступающих в воздух города (п.5.1). На роль деструкции озона в загрязненном городском воздухе указывает установленное по наблюдениям на сети «Мосэкомониторинг» (2008-2012 гг.) в теплый сезон превышение уровня озона в жилых районах мегаполиса по сравнению с расположенными вблизи автомагистралей районами в среднем на 10-20 мкг м"3 (рис.9). О другом процессе - о генерации озона в шлейфах городских загрязнений - свидетельствуют большие суточные максимумы Оз в окрестностях мегаполиса (в среднем на 15 мкг м~3, в отдельных случаях > 50 мкг м"3).

? " Т т ч / т ' / / \ ц | \ | - А Шш| Ч Рисунок 9 Усредненный суточный ход Оз (мкг м'3) в | июле на станции ; а) городского типа б) примагистральной (2008-2012 гг.)

ПШШ1 4

— Си, а?" ^ » 2 4 • 1 1» 12 14 1« 1» И « —«»« Хо-б)

Принимая во внимание сезонную изменчивость метеорологических параметров, ответственных за вертикальный обмен, делается вывод (п.5.2): летний максимум Оз в отличие от весеннего максимума, обусловленного максимальной в году интенсивностью вертикального перемешивания, является следствием наибольшей в году активности фотохимических процессов при увеличении повторяемости метеорологических условий, благоприятных для накопления предшественников озона.

Изучая природные и антропогенные факторы формирования аномально высоких концентраций озона в Московском регионе, с учетом того, что зимой фотохимическое производство озона отсутствует, а в теплый сезон вклад фотохимии минимизируется интенсивным перемешиванием, диагностированы наиболее благоприятные условия для переноса озона из свободной тропосферы и установлено, что при интенсивном перемешивании концентрации приземного озона в Москве увеличиваются зимой до 70- 90 мкг м"3, весной (максимум ОСО) - до 115-145 мкг м~3, летом до 90-100 мкг м"3.

В общем ряду вариаций приземного озона связь суточного максимума озона (май-август) с максимальной температурой тесная, коэффициент корреляции 11=0.75-0.8, с баллом облачности 11=0.7, с относительной влажностью воздуха (дневной минимум) И~-0.6, что совпадает с полученными другими авторами результатами. Зависимость от скорости ветра в АПС - нелинейная: большие концентрации озона наблюдаются при скорости меньше 5 м с"1, но, как установлено на длительных рядах наблюдений, значительная часть таких динамических условий, так же, как температура выше 26-28°С, не сопровождаются достижением критических величин озона.

Между тем, значительная доля изменчивости озона в мегаполисе регулируется общими атмосферными процессами, коэффициент корреляции суточных максимумов 03 между станциями высокий (11=0.8-0.9), что составляет основу методологии для разработки метеорологической по сути модели приземного озона, обсуждающейся в п.5.3.

Ставя цель надежного предсказания наиболее опасных ситуаций, на основе установленных эмпирических связей озона с метеорологическими параметрами, не используя в явном виде характеристики процессов фотохимической генерации озона, разработан синоптико-статистический метод определения метеорологических условий, способствующих формированию аномальных уровней озона в приземном воздухе мегаполиса. Количественно типовые атмосферные процессы и локальные метеоусловия представляются метеорологическим параметром загрязнения озоном (МП303). Принято, что в шкале условных единиц МП303 от 0.1 до 1 комплексу метеорологических параметров, обеспечивающих средний сезонный уровень концентраций озона, во все сезоны соответствует МПЗоз=0.4 (табл.2).

Отрицательные аномалии озона с сопутствующим снижением окислительной способности атмосферы являются следствием сильной деструкции или стока озона в периоды дождей и влажной погоды в зоне малоподвижных фронтов; таким погодным условиям присвоен наименьший индекс (МПЗоз=0.1). Ситуации интенсивного притока тропосферного озона выделены в отдельную группу (МПЗоз=0.6).

Известно, что избыток озона, т.е. превышение природного уровня, создает благоприятные условия для проявления его токсических свойств. Метеорологические предпосылки для увеличения концентраций озона за счет его фотохимической наработки разделены на два типа: предполагающие

повышение уровня Оэ до критических уровней (МПЗоз=0.7) и благоприятные для образования концентраций озона, попадающих в градацию «не меньше ПДКмр.» (МПЗо,=0.9). Самый высокий индекс МП303=1 присвоен условиям аномального повышения озона в связи с переносом загрязненного воздуха из районов лесо-торфяных пожаров при аномально сухой и теплой погоде.

Таблица 2. Соответствие аномальных уровней приземного озона синоптическим условиям и метеорологическим параметрам в Москве._

теплый сезон Синоптические процессы Соп утствующие явления Г) О ГО с

'г 1 X ю 2 £ О уровень отн.влаж-ть % осадки скорость в АПС м с"1

не более 30 а о н о н м и а з л к ь и н й 1 Теплый фронт на периферии циклона выше 80 моросящие любая 0.1

2 Центр циклона с выраженной фронтальной зоной выше 80 от умеренных -до сильных

3 Холодный фронт, тыловая часть фронтальной зоны при прохождении выше 80 дожди

4 Тыловой гребень после прохождения холодного фронта (в следующие сутки) 55-70 слабые

100-135 а н в о ы м с а о л к ь и н й О 5 Теплый сектор антициклона или циклона перед холодным фронтом (март- апрель: ночью и днем) 50-65 без осадков, малооблачно 10-15 у земли пор. г»10 0.6

110-159 6 Теплый сектор антициклона или циклона, малоградиентное барич, поле в период устойчивой аномально теплой погоды 25-50 переменная облачность, отдельные дождь, грозы 3-6 0.7

160-240 7 Малоградиентное барическое поле, аномально теплая погода длительностью не менее 1 суток, ночью и ранним утром - 25-50 без осадков 3-6 0.9

> 160' 8 Перенос воздушной массы в нижней атм-ре из района горящих природных пожаров (периферия антициклона или до 50 без осадков до 10 1.0

30-100 средн. сезон. другие синоптические ситуации 0.4

Расширение границ применимости разработанного для Московского региона метода сдерживается отсутствием наблюдений за озоном в других регионах. За пределами Москвы регулярный контроль Оз проводится в Зеленограде и Звенигороде (40-50 км к западу от города) и на условно «фоновой» территории в г. Обнинск (около 100 км на юго-запад). По данным измерений концентраций приземного озона на этих станциях установлено (п.5.4), что повышение уровня приземного озона до аномально высоких концентраций наблюдается только при установлении жаркой и малооблачной погоды и связано с поступлением воздуха из московского мегаполиса: в п. Звенигород и Зеленоград при ветрах восточного и юго-восточного секторов, в Обнинске - при северо-восточном переносе. Для «фоновой» территории (Обнинск) с низким уровнем техногенной нагрузки к числу ситуаций аномально высокого приземного озона были отнесены также случаи с превышением 100 мкг м"3 максимальной за сутки усредненной за 8 ч концентрации озона (критерий ВОЗ). Обнаружено, что аномально высоким

дневным концентрациям Оз в удаленных от мегаполиса районах предшествуют ночью температурная инверсия, низкоуровневое струйное течение либо значительные сдвиги ветра в АПС.

Используя традиционный для настоящей диссертации подход, а именно, «разработка метеорологического прогноза загрязнения воздуха без учета текущих данных о содержании примесей», разработана методология региональной синоптико-статистической модели озонового загрязнения для предсказания «опасных» ситуаций с аномальным уровнем 03. Другим назначением региональной модели является использование ее для верификации внедряемых химических транспортных моделей, обеспечивающие с высоким пространственным и временным разрешением расчеты полей концентрации озона для территорий, где наблюдения за озоном пока не проводятся.

Для этих же целей могут быть применены кратко представленные в п.5.5 разработанные с участием автора диссертации две методики статистического прогноза суточных максимумов концентрации приземного озона в Москве с применением МП303 в качестве предиктора. Протестированные на независимых данных обе методики одобрены ЦМКП Росгидромета и рекомендованы для оперативного применения. Эффективность включения МП303 в статистическую модель отражают представленные на рис.10 расчеты максимальной суточной концентрации Оз в период июнь-июль 2010 г. (наблюдались все возможные ситуации для формирования аномальной высоких концентраций).

о т--.-.-.-,

О 50 100 150 200 250

измерения

Рисунок 10.

Измеренные (ИФА, МГУ) и рассчитанные суточные максимумы концентрации приземного озона с учетом МП303. (красный маркер) и без учета МПЗоз(синий)

Июнь-июль 2010 г.

Было установлено, что учет в прогнозе МП303 приводит в среднем к небольшому завышению, а неучет - к занижению максимума ОЗ; самые большие ошибки расчетов пришлись на диапазон наибольших уровней приземного озона - на конец июля, когда начали распространяться шлейфы продуктов горения природных пожаров. Но следует отметить, что зафиксированные в это время в регионе концентрации превышали приведенные на рис.10 величины, т.е. учет МП303 «настраивает» на экстремальные уровни озона. В пользу его включения в схему

статистического прогноза свидетельствует рассчитанный коэффициент детерминации уравнения связи прогноз - измерения, с учетом МП303 R2=0.88, без учета R2=0.81.

Обсуждаемые в п.5.6 результаты анализа измерений озона на двух высотных уровнях телебашни Останкино (около 130 и 250 м) и сопоставление их с наземными данными имеют статус «экспериментальных». Интерес к вертикальному распределению озона в АПС определяется необходимостью понимания протекающих физических и химических процессов в жизнедеятельном слое атмосферы с позиций оценки качества воздушной среды в мегаполисе, а также влияния озона в химически активном АПС на озон в приземном слое. Данных об озоне в АПС мало, в открытом доступе находятся данные измерений озона (на высоте около 300 м) на Эйфелевой башне и на мачте в Боулдер (Boulder), США. Отдельно отметим, что практически каждый сезон ИОА РАН (Томск) проводит самолетные измерения озона в Западной Сибири.

Не исключая возможные погрешности измерений, в т.ч. за счет влияния тела телебашни, нужно признать достоверными установленные некоторые закономерности изменчивости озона в нижнем 250-метровом слое, в первую очередь, из-за согласованности их с атмосферными процессами в городском пограничном слое и совпадении формы суточного хода озона в слое 130-250 м с приземным. К числу новых результатов следует отнести обнаруженный по измерениям на телебашне инверсионный профиль озона с максимумом вблизи измерений на уровне 130 м, сохраняющийся над городом большую часть суток (рис.11). Безградиентным профиль озона становится в слое 130-

- 250 м лишь на короткое время конвективного прорыва АПС (около 8-9 часов), после чего, опережая процесс в вышележащем слое, концентрация озона на уровне 130 нарастает, достигнув максимума около 14 ч, в течение 4 часов практически не меняется в отличие от максимума на 250 м, который наступает позже, спадает раньше и меньше по величине. Очевидно, в слое 100-200 м над городом, куда, благодаря преобладающему в мегаполисе

турбулентному перемешиванию, выносятся озонообразующие вещества, производится наибольшее количество «антропогенного» озона благодаря оптимальному, по- видимому, соотношению прекурсоров озона.

Полученная по усредненным данным за первые 50 дней лета 2010 г. (до масштабных лесных пожаров) схема суточной динамики озона в АПС (рис.11) включает процессы погодных аномалий - череды «волн жары» и сопровождавших их кратковременных НМУ, что во многом могло определить благоприятные условия для значительного образования озона в АПС (на высоте 130 м 150±15 мкг м"3, на высоте 250 м 129±15 мкг м"3). Учитывая зарубежный опыт и отечественные экспериментальные измерения, а также актуальность озонового загрязнения, предполагается расширить исследования в этом направлении, в т.ч. с использованием численного моделирования процессов в АПС.

Глава 6 логически завершает проведенные циклы исследований с применением синоптико-статистических методов, представляя качественно новый этап прогнозирования загрязнения воздуха на основе химической транспортной модели. В п.6.1 приводятся обоснования сформулированной впервые автором задачи применения химической транспортной модели (ХТМ) для оперативного прогнозирования загрязнения воздуха в Московском регионе. Основанием для постановки задачи послужили положительные результаты апробации химической транспортной модели (ХТМ) CHIMERE, адаптированной И.Б.Коноваловым (ИПФ РАН) для центра Европейской части России, и то обстоятельство, что в Московском регионе функционирует автоматизированная сеть мониторинга (более 30 станций), что позволяет проводить многоплановое тестирование ХТМ, в т.ч. с целью настройки и выбора оптимальных конфигураций ХТМ.

Первое совместное с И.Б.Коноваловым тестирование вычислительного модуля MM5/CHIMERE (с применением реанализов метеополей) показало, что между модельными и измеренными на АСКЗА концентрациями химически малоактивного РМю коэффициент корреляции достаточно высокий R=0.74-0.84 (лето 2007г.); были выявлены систематические модельные погрешности, указывая, в первую очередь, на проблемы учета городских эмиссий (п.6.2).

В последние годы в Гидрометцентре России усилиями творческого коллектива (Гидрометцентр России, ИПФ РАН и «Мосэкомониторинг») при значительном вкладе с.н.с. Зарипова Р.Б создается вычислительный комплекс WRF/XTM CHIMERE. Результаты проведенного на ограниченных выборках тестирования ХТМ свидетельствуют пока о неустойчивости показателей успешности модельных прогнозов, о необходимости их коррекции (локальной или общей) в силу ряда факторов и причин: а) недостаточное текущее пространственное разрешение моделей атмосферы и ХТМ, б) ошибки модельного прогноза используемых для расчетов концентраций метеорологических полей в АПС, в) отличающиеся от реального распределения городские эмиссии, г) особенности атмосферных процессов в

городе и пр. Одним из известных приемов коррекции модельных расчетов, чтобы полученный расчетный инструмент (ХТМ) стал надежным средством прогнозирования концентраций загрязняющих веществ в мегаполисе, является их постобработка. Разработка методологии постобработки модельных расчетов входит в задачу автора диссертации (п.6.3).

Акцентируя внимание на способности моделировать ситуации с высоким уровнем загрязнения, на рис.12 (эпизод НМУ) показаны модельные и измеренные концентрации СО, N02, 03, РМ10 на станциях городского типа в разных частях города и в ближнем пригороде (г. Зеленоград). Видно, что в целом модельное воспроизведение пространственной и временной динамики концентраций весьма реалистично.

1-Толбухина, 2-Туристская, З-Зеленоград ■ 13Иайишршй,2-Марьино,3-Зеленоград

Рисунок 12. Временной ход измеренных (линии без маркеров) и модельных (линии с маркераг 30.07-2.08.2012 г.

(линии с маркерами) концентраций, мкг м"3 а) СО, б) N02, в) Оз, г) РМю.

1-Долгопрудная, 2-Толбухина, З-Вешняки

1-Вернадского, 2-Долгопрудная, З-Вешняки

ХТМ описывает значительные различия концентраций на станциях, вместе с тем за границами города модельные концентрации меньше измеренных. Также моделью адекватно представляется утренний максимум загрязнения воздуха на станциях города, но существенно недооценивается вечерний пик (СО, N02). Обращает на себя внимание то, что в темное время суток на городских станциях концентрации N02, РМ,0 и Оз моделью завышаются. В этом в эпизоде НМУ в среднем модельные концентрации РМШ и 03 завышены, концентрации СО - существенно занижены. Нельзя не заметить,

что 2 августа по окончании эпизода НМУ при резком понижении уровня загрязнения модельные концентрации практически совпадают с измеренными.

Проиллюстрированные на частном эпизоде характерные модельные погрешности указывают на целесообразность структурного анализа модельных ошибок - по пунктам города, веществам, синоптическим процессам и т.д. При внедрении технологии в оперативную практику структурная оценка качества моделирования - важнейший этап для установления и точности расчетов, и причин наиболее существенных ошибок; она стимулирует совершенствование химических транспортных моделей и позволяет оптимизировать способы коррекции модельных расчетов. Разработанная схема постобработки модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ предполагает на начальном этапе установление характерных ошибок прогноза каждого контролируемого загрязняющего вещества на всех станциях. Эффективным средством для этого являются боксовые диаграммы модельных ошибок и графики рассеяния. Для примера на рис.13 показаны статистические характеристики ошибок расчета концентрации N02 на станциях, по которым можно судить о систематических погрешностях модельных прогнозов, о характерном диапазоне (25-75 процентиль) ошибок, особенностях моделирования на типовых внутригородских и загородных станциях.

Значительные по величине «выбросы» на диаграмме размаха и смещение диапазонов модельных и измеренных концентраций указывают на проблемы прогноза высоких концентраций (пропуск цели) или большого числа ложных тревог, т.е. «страховочные» прогнозы (рис. 14.а,б).

' * * ЛОЖНЫЕ ТРЕВОГИ СО ь 80 . . .*' О : 10> о г 60 а л 1 40 0 НМУ I - о ° ° © о начальный прогноз о мод.прогноз с коррекцией модель,мкг м-3 го А о со э о о о о ] О ° о О • О. - с • о "<*> „ © © оо о 0 © © ® о V синий- начальный прогноз ^ зеленый -с коррекцией

0 20 40 60 80 измерения и 20 40 60 80 измерения

а) б)

Рисунок 14. Измеренные и модельные средние суточные концентрации РМю, мкг м~3 а) с локальной коррекцией на «ложные» тревоги, б) с применением коррекции по «выверенной» станции

Далее определяются станции с удовлетворительным качеством прогнозов и станции, на которых достаточно введения систематической погрешности (на весь диапазон или градацию), одновременно выделяя пункты для процедуры более сложной постобработки модельных расчетов с учетом как характера модельных ошибок, так и требований пользователя к точности модельных расчетов. К числу предлагаемых способов постобработки модельных прогнозов относятся: а) локальная диагностическая верификация, предполагающая на обучающей полной выборке установление количественной зависимости модель-измерение с последующим применением корректирующего уравнения для уточненного прогноза (рис.14, б), б) прогноз в пункте с коррекцией по установленным связям с «выверенной» станцией, в) установление корректирующих правил только в диапазоне повышенных и высоких концентраций, г) применение коррекции при наступлении неблагоприятных метеорологических условий.

Эффективность любого из названных способов во многом зависит от успешности прогноза метеорологических параметров, используемых ХТМ для расчета полей концентраций загрязняющих веществ. Нельзя не учитывать, что для получения надежных корректирующих правил необходимы статистически обеспеченные ряды модельных расчетов со стабильным набором конфигураций и настроечных параметров, что в условиях становления технологии является непростой задачей.

Практическая реализация разработанной методологии постобработки модельных прогнозов концентрации загрязняющих веществ осуществляется в рамках разработки методики моделирования загрязнения атмосферы в г. Москве. По итогам постобработки модельных прогнозов и оценки скорректированных прогнозов концентраций на станциях делается заключение, что при существующем пространственном разрешении ХТМ, в

условиях грубого описания городских эмиссий, высокой зависимости от ошибок метеорологического прогноза наиболее результативным сегодня является подход, основанный на статистической коррекции модельных расчетов, способ которой определяется в зависимости от типа атмосферных процессов и метеорологических условий, идентифицируемого с применением представленного в диссертации метеорологического параметра загрязнения (МПЗ).

В п.6.4 продемонстрировано применение ХТМ для научно -исследовательских задач: описаны результаты численных расчетов по сопряженной с WRF (реанализы) модели CHIMERE для оценки вклада антропогенных примесей, поступающих с воздушными массами из Китая в дальневосточный регион России. По расчетам для двух лет (2007 и 1997 гг.) получена оценка вклада трансграничных примесей в региональный уровень загрязнений (15-25%). Установлено, что рассчитанные концентрации загрязняющих веществ для выбранного пункта (г. Хабаровск) содержат сезонно выраженную адвективную составляющую: весной и осенью наблюдается наиболее значительный перенос из Китая взвешенных частиц РМ10, летом - озона, оксидов азота - в холодный сезон. Эти особенности частично отражает рис. 15, где представлен годовой ряд рассчитанных концентраций Оз и N02 в Хабаровске «без» и с учетом вклада переноса антропогенных загрязнений из Китая. _

160 - ^ 120 -ï 1 80-О 40- -нулевые эмиссии в Китае +■—)—«-базовый расчет 16 J 12 -I Ъ -1 8Н о" 4 - -нулевые эмиссии в Китае +—|—нбазовый расчет ^t

100 200 300 номер дня (от 1 января 2007) 100 200 300

Рисунок 15. Максимальная суточная концентрация Оз (слева) и средняя суточная концентрация N0* (справа) с учетом переноса загрязнений из Китая в Хабаровск (красная линия) и без учета (синяя линия). 2007 г.

Модельные оценки указывают, что в дальневосточном регионе с низким региональным фоном загрязнения воздуха дальний перенос примесей может вызывать повышение концентраций до критических уровней. По результатам синоптического анализа таких случаев сделан вывод, что все эпизоды загрязнения на юге Хабаровского края с участием загрязнений из Китая формируются при поступлении субтропического воздуха в теплых секторах циклонов и по западной периферии антициклонов.

Для многих регионов нашей страны с низкой плотностью наблюдательной сети подобного рода оценки остаются актуальными, и, как показано выше, могут быть получены с использованием моделей переноса, учитывающих химические преобразования более десятка важнейших газовых и аэрозольных загрязнений.

В Заключении отмечается, что все исследования, обсуждение и результаты которых представлены в диссертации, имели целью систематизировать и получить новые знания о физических процессах в находящемся под влиянием антропогенных факторов городском атмосферном пограничном слое для практического применения полученных выводов и расчетных методов при выполнении главной задачи -прогнозировании неблагоприятного для окружающей среды состояния, обусловленного ослаблением рассеивающей способности атмосферы с сопутствующим значительным увеличением загрязнения воздуха.

Также формулируются наиболее важные результаты представленной работы:

Совокупность антропогенных факторов вызывает значительные изменения термической структуры городского атмосферного слоя атмосферы. Преобладающая термическая неустойчивость в мегаполисе и температурная неоднородность, сравнимая при достижении максимума ночью с контрастами температуры в зоне атмосферного фронта, стимулируют усиление самоочищения городской атмосферы посредством активизации внутригородского переноса и рассеивания примесей. Более высокая по сравнению с пригородом температура обнаруживаются в холодный сезон в нижнем 100-200 метровом слое, в теплый сезон — в слое до 300-500 метров.

Установлены сезонные различия формирования термической неустойчивости приземного воздуха в мегаполисе. Главными причинами ее преобладания в холодный сезон являются потери тепла отопительных систем; в теплый сезон лучистое излучение теплоемких поверхностей городского ландшафта в темное время суток поддерживает термическую неустойчивость, но в определенной мере ее ослабляет парниковый эффект.

Отношение частоты образования температурной инверсии любого типа в невозмущенной мегаполисом местности (Обнинск), ближнем пригороде (Долгопрудный) и в центре мегаполиса имеет вид 4:3:1. В среднем повторяемость образования приземной инверсии температуры в центре Москвы составляет около 1%, в ближнем пригороде - около 20 %.

Систематизация условий высокого загрязнения воздуха в Московском регионе показала, что его формирование происходит в основном за счет городских эмиссий, но дальний перенос взвешенных частиц также может вызвать повышение уровня до критических величин.

Достижение максимального уровня загрязнения приземного воздуха в городе обеспечивается сочетанием слабого ветра в нижней части АПС и термической устойчивости (НМУ); в отсутствие одного из этих факторов не происходит значительного накопления загрязнений в приземном воздухе. Повторяемость эпизодов загрязнения в теплый сезон выше, чем зимой. В отличие от зимних, летние эпизоды загрязнения - многокомпонентные: вечером и утром формируются высокие концентрации в основном первичных и короткоживущих вторичных загрязнений, в послеполуденное время -

образующихся в результате фотохимических процессов.

Диагностируемые по нетипичным изменениям метеорологических параметров ответные сигналы на сильное загрязнение атмосферы продуктами горения биомассы в периоды лесо-торфяных пожаров отличаются от фиксируемых при кратковременных НМУ и обнаруживаются

а) в усилении термической устойчивости в дневное время (эффект «радиационной зимы»), б) в ночном ослаблении радиационного выхолаживания в задымленном и загазованном воздухе («парниковый» эффект).

Сопровождающие радиационную инверсию вертикальные сдвиги скорости ветра способствуют очищению приземного воздуха, кроме ситуаций адвекции примесей (шлейфы природных пожаров, дальний перенос), когда активизируемое сдвигами ветра турбулентное перемешивание становится механизмом переноса примеси в приземный слой из шлейфа, вызывая повышение уровня загрязнения.

Разработан синоптико-статистический метод расчета метеорологического параметра загрязнения (МПЗ) с использованием данных численных моделей атмосферы, обеспечивающий успешность прогноза НМУ за счет учета особенностей процессов в городском пограничном слое атмосферы, и, тем самым, снижение ложных тревог.

Наиболее значительные непериодические вариации концентрации приземного озона в удаленном от антропогенных источников регионе в основном связаны с процессами синоптического масштаба и определяются свойствами приходящих воздушных масс.

В Московском регионе перенос тропосферного озона при интенсивном перемешивании может привести к повышению концентрации озона в приземном воздухе зимой до 70-90 мкг м"3, весной в период максимума ОСО - до 115-145 мкг м"3, летом - до 90-100 мкг м"3.

Поле приземного озона в Московском регионе характеризуется значительной пространственной и ершенной неоднородностью с увеличением уровня озона: а) от примагистральных районов к подветренным окрестностям (в среднем на 20-30 мкг м"3, в летних эпизодах - > 50 мкг м"3),

б) от холодного сезона к теплому. Летний максимум приземного озона обусловлен увеличением повторяемости НМУ.

Разработан синоптико-статистический метод прогноза аномальных уровней приземного озона в Московском регионе с применением количественного метеорологического параметра загрязнения озоном. При отсутствии наблюдений метод позволяет оценивать возможность аномальных изменений приземного озона.

По результатам тестирования химической транспортной модели по данным автоматизированного мониторинга загрязнения воздуха в Москве продемонстрирована необходимость коррекции модельных прогнозов концентраций загрязняющих веществ в мегаполисе. Разработана схема постобработки модельных прогнозов, и показано, что при существующем

пространственном разрешении ХТМ, в условиях грубого описания городских эмиссий, высокой зависимости от ошибок метеорологического прогноза статистическая коррекция может обеспечить качество прогноза концентраций загрязняющих веществ, необходимое для практического использования модельных расчетов.

Перспективами работы являются следующие направления:

• продолжение исследований антропогенного воздействия на атмосферные процессы в мегаполисе,

• изучение процессов загрязнения воздушного бассейна большого города с применением высотных измерений играющих ключевую роль в атмосферной химии газов,

• верификация химических транспортных моделей и разработка методов интерпретации модельных прогнозов для получения надежного инструмента численного прогноза концентраций загрязняющих веществ в городах и на фоновой территории.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность всем, с кем осваивались новые научные горизонты, новые методы исследований и создавали новые технологии: д.ф.-м.н. А.М.Звягинцеву, профессору д.ф.-м.н. Н.П.Шакиной, д.ф.-м.н. И.Б.Коновалову, к.ф.-м.н. Р.Б.Зарипову, д.ф.-м.н. А.Р.Ивановой, д.т.н. Е.Н.Кадыгрову, д.ф.-м.н. М.А.Каллистратовой, д.ф.-м.н. А.В.Муравьеву, профессору д.ф.-м.н., Г.С.Ривину и к.г.н. Г.В.Сурковой, член корр. д.ф.-м.н. Н.Ф.Еланскому, к.ф.-м.н. Е.Г.Семутниковой и к.ф.-м.н П.В.Захаровой, особенная благодарность моим молодым коллегам к.г.н. Мурату Нахаеву, к.г.н. Ирине Шалыгиной и Анне Глазковой.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

в журналах, рекомендованных ВАК

1. Шакина Н.П., Кузнецова И.Н. Повышение суммарной бета-активности в приземном слое воздуха в результате стратосферных вторжений,- Доклады Академии наук. Геофизика. 1997, т.356, № 3, с. 390392.

2. Шакина Н.П., А.Р.Иванова Кузнецова И.Н. Анализ случаев стратосферных вторжений, сопровождаемых повышением радиоактивности в приземном воздухе.- Метеорология и гидрология 2000, N2 53-60

5. Кадыгров E.H., Кузнецова И.Н., Голицын Г.С. Остров тепла в пограничном слое атмосферы над большим городом: новые результаты на основе дистанционных данных.- Доклады Академии наук. Геофизика. 2002. Т. 385. №4. С. 541.

4. Кузнецова И.Н., Еланский Н.Ф., Шалыгина И.Ю., Кадыгров E.H., Лыков А.Д.Инверсии температуры и их влияние на концентрацию

приземного озона в окрестностях Кисловодска .- Метеорология и гидрология. 2002. №9. С. 40.1

5. Звягинцев A.M., Кузнецова И.Н. Изменчивость приземного озона в окрестностях Москвы: результаты десятилетних регулярных наблюдений.- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38. № 4. С. 486.

6. Tarasova О.А., Kuznetsov G.I., Elansky N.F., Senik I.A., Kuznetsova I.N. Impact of air transport on seasonal variations and trends of surface ozone at kislovodsk high mountain station.- Journal of Atmospheric Chemistry. 2003. T. 45. № 3. C. 245-259.

7. Бондаренко H.A., Богомолов A.B., Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н. Дистанционное измерениепрофилей температуры пограничного слоя атмосферы в г. Оренбург,- Метеорология и гидрология, 2004, №12. 97-98

8. Кузнецова И.Н., Хайкин М.Н., Кадыгров Е.Н. Влияние городской среды на температуру в пограничном слое атмосферы по данным микроволновых измерений в Москве и окрестностях,- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2004: т. 40, №5, 678-688.

9. Звягинцев A.M., Беликов И.Б., Егоров В.И., Еланский Н.Ф., Крученицкий Г.М., Кузнецова И.Н., Николаев А.Н., Обухова З.В., Скороход А.И. Положительные аномалии приземного озона в июле-августе 2002 г. в Москве и ее окрестностях.- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40. № 1. С. 75-86.

10. Шакина Н.П., Иванова А.Р., Кузнецова И.Н. Волны холода и их проявление в озонометрических данных кисловодской высокогорной научной станции.- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40. № 4. с.485-500

11. Хайкин М.Н., Кузнецова И.Н., Кадыгров Е.Н. Влияние высокой концентрации аэрозоля на термическую структуру пограничного слоя атмосферы,- Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42. № 6. С. 778-784.

12. Звягинцев A.M., Рудаков В.В., Кузнецова И.Н., Демин В.И. О временном ходе приземного озона в центре европейской россии в весенне-летний период 2004 г. - Метеорология и гидрология. 2006. № 4. С. 41-46.

13. Khaikine M.N., Kuznetsova I.N., Kadygrov E.N., Miller E.A. Investigation of Temporal-Spatial Parameters of an Urban Heat Island on the Basis of Passive Microwave Remote Sensing".- Theoretical and Applied Climatology. 2005. T. 84. C. 161-168.

14. Шалыгина И.Ю., Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Лезина Е.А., Звягинцев A.M. О прогнозировании приземного озона в большом городе (на примере Москвы) .- Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 7. С. 651-658.

15. Звягинцев A.M., Селегей Т.С., Кузнецова И.Н. Изменчивость приземного озона в г. Новосибирске,- Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20. № 7. С. 647-650.

16. Кузнецова И.Н., Нахаев М.И., Шалыгина И.Ю., Лезина Е.А.

Метеорологические предпосылки формирования зимних эпизодов высокого загрязнения воздуха в г. Москва .- Метеорология и гидрология. 2008. № 3. с. 48-59.

17. Демин В.И., Звягинцев A.M., Кузнецова И.Н. О действующих в российской федерации нормативах по содержанию озона в атмосферном воздухе.- Экология человека. 2009. № 1. с.4-8.

18. Kallistratova М.А., Kouznetsov R.D., Kuznetsov D.D., Kuznetsova I.N., Nachaev M., Chirokova G. Summertime low-level jet characteristics measured by sodars over rural and urban areas.- Meteorologische Zeitschrift. 2009. V. 18. No. 3. p.289-295.

19. Звягинцев A.M., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Кузнецова И.Н., Тарасова O.A., Шалыгина И.Ю. Статистическое моделирование максимальных суточных концентраций приземного озона,- Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 2. С. 127-135.

20. Кузнецова И.Н., Зарипов Р.Б., Коновалов И.Б., Звягинцев A.M., Семутникова4 Е.Г., Артамонова A.A. Вычислительный комплекс «модель атмосферы - химическая транспортная модель» как модуль системы оценки качества воздуха,- Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 6. с. 485-492.

21. Зарипов Р.Б., Коновалов И.Б., Кузнецова И.Н., Беликов И.Б., Звягинцев A.M. Использование моделей WRF ARW и CHIMERE для численного прогноза концентрации приземного озона.- Метеорология и гидрология. 2011. № 4. с. 48-60.

22. .Коновалов И.Б., Бикманн М., Кузнецова И.Н., Глазкова A.A., Вивчар A.B., Зарипов Р.Б.Оценка влияния природных пожаров на загрязнение воздуха в регионе московского мегаполиса на основе комбинированного использования химическо-транспортной модели и данных измерений. Известия Российской академии наук.- Физика атмосферы и океана. 2011, том 47, № 4, с. 496-507

23. Кузнецова И.Н., Коновалов И.Б., Глазкова A.A., Нахаев М.И., Зарипов Р.Б., Лезина Е.А., Звягинцев A.M., Бикманн М. Наблюдаемая и рассчитанная изменчивость концентрации взвешенного вещества РМ10 в Москве и Зеленограде.- Метеорология и гидрология. 2011. № 3. с. 48-60.

24. Звягинцев A.M., О.Б. Блюм, A.A. Глазкова, С.Н. Котельников, И.Н. Кузнецова, В.А. Лапченко, Е.А. Лезина, Е.А. Миллер, В.А. Миляев, А.П. Попиков, Е.Г. Семутникова, O.A. Тарасова, Шалыгина И.Ю. Загрязнение воздуха на Европейской части России и в Украине в условиях жаркого лета 2010 года,- Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 6. с. 757-766.

25. Звягинцев A.M., Блюм О.Б., Глазкова A.A., Котельников С.Н., Кузнецова И.Н., Лапченко В.А., Лезина Е.А., Миллер Е.А., Миляев В.А., Попиков А.П., Семутникова Е.Г., Тарасова O.A., Шалыгина И.Ю. Аномалии концентраций малых газовых составляющих в воздухе европейской части России и Украины летом 2010 г.- Оптика атмосферы и океана том 24, 2011, № 07, с.582-588

26. Konovalov I.B., Beekmann M., Kuznetsova I.N., Yurova A. and Zvyagintsev A.M.Atmospheric impacts of the 2010 Russian wildfires: integrating modelling and measurements of an extreme air pollution episode in the Moscow region.- Atmos. Chem. Phys., 11, 10031-10056, 2011 http://www.atmos-chem-phys.net/ll/10031/2011.

27. Глазкова A.A., Кузнецова И.Н., Шалыгина И.Ю., Семутникова Е.Г. Суточный ход концентрации аэрозоля (РМ10) летом в Московском регионе.- Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 6, с. 495- 500.

28. Юрова А.Ю., А.В. Парамонов, И.Б. Коновалов, И.Н. Кузнецова, М.Бикманн. Прогноз интенсивности теплового излучения и эмиссий аэрозолей от лесных пожаров в Центрально-европейском регионе.- Оптика атмосферы и океана. 2013. Т.25. № 4. с. 203-207.

29. Кузнецова И.Н. Влияние метеорологических условий на содержание РМщ и СО в летних эпизодах 2010 года.- «Физика атмосферы и океана», 2012. Т 48, №5. с.566-577.

30. Кузнецова И.Н., Кадыгров Е.Н., Миллер Е.А., Нахаев М.И. Характеристики температуры в нижнем 600-метровом слое по данным дистанционных измерений приборами МТП-5.- Оптика атмосферы и океана, 2012. Т. 25, № 10. с. 877-883.

31. Кузнецова И.Н., И.Б. Коновалов, А.А. Глазкова, Е.В. Березин, М. Бикманн, Е.-Д.Шульце. Оценка вклада трансграничного переноса в загрязнение атмосферы в дальневосточном регионе на основе применения химическо-транспортной модели,- Метеорология и гидрология, 2013, № 3. с. 17-29.

А также другие наиболее значительные публикации

Кузнецова И.Н., Звягинцев A.M., Семутникова Е.Г. Экологические последствия погодных аномалий летом 2010года. //Анализ условий аномальной погоды на территории России летом 2010 года: сборник докладов совместного заседания Президиума Научно-технического совета Росгидромета и Научного совета РАН «Исследования по теории климата Земли» /Под ред. Н.П.Шакиной. Росгидромет, РАН. 2011. с. 59-64.

Sofiev М., М. Prank, S. Finardi, J.....I. Konovalov, M. Beekmann, I.

Kuznetsova, A. Yurova, A. Zvyagintsev, A.S. Zakey, F. Giorgi, A. Baklanov and MEGAPOLI modelling teams. Influence of Regional Scale Emissions on Megacity Air Quality. - MEGAPOLI Deliverable D5.5. Sofiev M., Prank M., Baklanov A. (Eds.) MEGAPOLI Scientific Report 11-12. Helsinki-Cpenhagen, 2011. 60 p. (http://megapoli.dmi.dk/publ/MEGAPOLI_srl l-12.pdf).

Kadygrov E., Khaikine M., Kuznetsova I., Miller E. Investigation of urban heat island on the basis of stationary and mobile microwave systems for remote measurements of temperature profiles. - Proc. Of SPIE, Optical Technolog. for Atmosph.,Ocean and Environmental Studies, vol. 5832, part two, 2005, Washington,pp.503-513.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Кузнецова, Ирина Николаевна, Москва

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ и экологии РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Гидрометеорологический научно-исследовательский центр

Российской Федерации»

На правах рукописи

05201450067

Кузнецова Ирина Николаевна

Специальность 25.00.30 - метеорология, климатология, агрометеорология

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва 2013

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

АСКЗА Автоматизированная сеть контроля загрязнения атмосферы

АПС Атмосферный пограничный слой

ВММ Высотная метеорологическая мачта

ВОЗ Всемирная организация здравоохранения

ВСВ Всемирное согласованное время

ЕМЕР European Monitoring and Evaluation Programme - «Совместная программа наблюдений и оценки переноса атмосферных загрязнителей на большие расстояния в Европе»

КВНС Кисловодская высокогорная научная станция

Концентрация количество вещества, содержащееся в единице массы или объема воздуха, приведенного к нормальным условиям

Метеорологичес кие факторы загрязнения атмосферы метеорологические элементы, явления и процессы, влияющие на загрязнение атмосферы

Модель атмосферы (МА) математическая модель атмосферы, учитывающая радиационные, циркуляционные, физические процессы

МТП-5 Микроволновый температурный профилемер

НМУ Неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению примеси в приземном слое

Показатель загрязнения количественная и (или) качественная характеристика загрязнения атмосферы

Приземная концентрация концентрация примеси в атмосфере, измеренная на высоте 1,52,5 м от поверхности земли

Примесь, загрязнитель рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе

Разовая концентрация концентрация примеси в атмосфере, усредненная по измерениям за 20-30-минутный интервал времени

СТНУ Струйное течение нижних уровней

Химическая транспортная модель (ХТМ) математическая модель атмосферы для расчета распределения загрязняющих веществ в атмосфере с учетом их химические преобразований

СОДЕРЖАНИЕ

Список основных обозначений и сокращений 2

ВВЕДЕНИЕ 7

1. ДИАГНОСТИКА ВЛИЯНИЯ БОЛЬШОГО ГОРОДА НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ НИЖНИХ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ МИКРОВОЛНОВЫХ 16

ИЗМЕРЕНИЙ ПРОФИЛЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИБОРАМИ МТП-5

1.1. Методические рекомендации по использованию и : ^ интерпретации данных МТП- 5

1.2. Пространственные характеристики городского острова тепла в ^ § Московском регионе

1.2.1. Оценка параметров городского острова тепла в Москве по . 19 данным наземных измерений

1.2.2. Сезонные и внутрисуточные величины разности температуры центр-пригород в слое 0-300 м.

1.3. Характеристики термической устойчивости АПС в Московском 33 регионе

1.3.1. Сезонное распределение и внутрисуточные характеристики ^у вертикальных градиентов температуры

1.3.2. Особенности образования и повторяемости температурных инверсий температуры

1.4. Изменения термической структуры АПС в загрязненном 45 воздухе

1.4.1. Сравнительный анализ температурных изменений в АПС в 45 чистом и загрязненном воздухе

1.4.2. Влияние загрязнений от природных пожаров на термические процессы в АПС

Краткие выводы 55

2. ВКЛАД КРУПНОМАСШТАБНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ И ЛОКАЛЬНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ 59 УСЛОВИЙ В ФОРМИРОВАНИЕ ЭПИЗОДОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

2.1. Факторы формирования и систематизация эпизодов загрязнения ^ воздуха

2.2. Общие признаки и специфические сезонные различия метеорологической обусловленности высокого загрязнения 68 приземного воздуха в Московском регионе

2.2.1. Влияние атмосферных процессов на динамику и уровень 53 загрязнения приземного воздуха в зимних эпизодах

2.2.2. Характерные особенности эпизодов загрязнения и сопутствующих метеорологических условий в теплый период

2.3. Адвекция примеси - фактор формирования загрязнения воздуха взвешенными частицами (РМю)

2.3.1. Эпизоды загрязнений вследствие адвекции в зарубежной 33 Европе

2.3.2. Идентификация адвекции загрязнений в Московском регионе 85

2.4. Анализ процессов в АПС в периоды сильного загрязнения 95 атмосферы продуктами природных пожаров

2.5. О связи вертикальных профилей загрязнений со ^02 стратификацией температуры и скорости ветра в АПС

Краткие выводы ПО

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ПРОГНОЗ

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ЗАГРЯЗНЕНИЯ 112 (МПЗ)

114

3.1. Актуальность задачи идентификации неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий (НМУ)

3.2. Сезонная и внутрисуточная изменчивость загрязнения ^у приземного воздуха в Москве

3.3. Пространственная неоднородность воздушного загрязнения в ^о городской агломерации (г. Москва)

3.4. Сезонные отличия влияющих на загрязнение воздуха метеорологических параметров и условий

3.5. Метод расчета метеорологического параметра загрязнения (МПЗ)

Краткие выводы 143

4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА ПОД 145 ВЛИЯНИЕМ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В УДАЛЕННОМ ОТ АНТРОПОГЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ РАЙОНЕ

4.1. Влияние метеорологических условий на содержание и изменчивость приземного озона в окрестностях Кисловодска

4.2. Воздействие процессов синоптического масштаба на приземный озон

4.3. Вклад дальнего переноса в сезонные вариации концентрации ^ приземного озона на КВНС

4.4. Анализ атмосферных процессов в эпизодах стратосферных : ^у вторжений

Краткие выводы 172

5. ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА В МОСКОВСКОМ РЕГИОНЕ, 174 МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И ПРОГНОЗ АНОМАЛЬНО ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ

5.1. Сезонные и внутрисуточные особенности изменений озона в ^у^ приземном воздухе в Московском мегаполисе

5.2. Оценки связей концентрации озона с метеорологическими параметрами

5.3. Метеорологических условия и прогноз аномальных уровней приземного озона в Москве

5.4. Региональная синоптико-статистическая модель приземного озона

5.5. Статистические методы прогноза максимальной за сутки концентрации приземного озона

5.6. Об изменчивости озона в атмосферном пограничном слое 209

184 189 196 204

Краткие выводы 220

6. ВЕРИФИКАЦИЯ ЧИСЛЕННЫХ ПРОГНОЗОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО ВОЗДУХА ДЛЯ 222 РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ И

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

6.1 Объективные предпосылки создания вычислительного комплекса на базе ХТМ для прогнозирования загрязнения воздуха в 224 Московском регионе

6.2 Тестирование модельных расчетов концентраций загрязняющих ^^ веществ по данным измерений в Московском регионе

6.3 Интерпретация модельных расчетов концентраций загрязняющих веществ и методология их постобработки

6.4 Применение ХТМ CHIMERE для оценки вклада трансграничного переноса в загрязнение атмосферы (на примере 249 дальневосточного региона)

Краткие выводы 258

260

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Основные результаты

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 266

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 271

ВВЕДЕНИЕ

Растущая урбанизация - один из важнейших факторов изменения окружающей среды. Влияние мегаполиса, вызывая изменения тепло и влагообмена, ветровых потоков и пр., вносит коррективы в классические представления о процессах в атмосферном пограничном слое (АПС), установить которые удается чаще всего по данным измерений с высоким пространственным и временным разрешением, в частности, обсуждаемых в работе разнесенных профилемеров МТП-5 и измерений концентраций загрязняющих веществ на автоматизированной сети наблюдений в Московском мегаполисе.

Практическая необходимость заблаговременного предсказания ухудшения состояния окружающей среды определила общую постановку

задачи и сфокусированное внимание в каждом направлении исследований автора на изучении процессов высокого загрязнения воздуха и неблагоприятных для очищения воздуха метеорологических условий (НМУ). Хотя эпизоды значительного загрязнения воздуха регистрируются редко, их опасность связана и с высоким уровнем загрязнения, и с образованием более токсичных по сравнению с эмиссиями загрязняющих веществ (например, озон, формальдегид и т.п.).

Статистические методы не исчерпали своих возможностей, но

мировой уровень прогнозирования загрязнения воздуха сегодня определяют химические транспортные модели (ХТМ), которые позволяют восстанавливать поля концентраций загрязняющих веществ на территории с низкой плотностью измерений (или отсутствием) и прогнозировать многие компоненты загрязнения атмосферы. Но ХТМ (учитывая текущее разрешение моделей и грубое описание эмиссий) может стать надежным инструментом прогнозирования временной и пространственной изменчивости воздушных загрязнений только по результатам многофакторной верификации по данным реальных измерений концентраций загрязняющих веществ с высоким пространственным и временным разрешением. Актуальность освоения ХТМ также определяется возможностью решения на основе моделирования целого ряда научно - практических задач, например, для оценки загрязнения воздуха пока не контролируемыми веществами (РМ]0, озон и т.п.), для определения влияния трансграничного переноса на региональное качество воздуха и мн. др. Цель работы: Установить количественные показатели изменений процессов в городском атмосферном пограничном слое и загрязнения под воздействием сезонно - различающихся антропогенных факторов, изучить и систематизировать закономерности формирования высокого загрязнения воздуха в мегаполисе под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов и локальных метеорологических условий; с учетом специфических особенностей процессов в городском АПС разработать методы прогноза экологически опасных ситуаций, связанных с НМУ, высоким загрязнением воздуха, в т.ч. озоном, на основе прогностических данных моделей атмосферы и химических транспортных моделей.

Для достижения указанных целей поставлены следующие задачи:

• Разработка методической основы и подготовка методических рекомендаций для использования данных микроволновых измерений профилей температуры в слое 0-600 м приборами МТП-5 при анализе процессов в АПС, для получения режимных характеристик и выявления закономерностей

пространственно - временной изменчивости термического состояния АПС.

• Изучение метеорологической обусловленности высокого загрязнения воздуха, включая озоновое и аэрозольное загрязнение; систематизация признаков и установление регулирующих механизмов в эпизодах загрязнения приземного воздуха, сформированных за счет местных эмиссий и дальнего переноса примесей. Разработка методики идентификации НМУ на основе выявленных связей загрязнения городского воздуха с отдельными метеорологическими параметрами и комплексным показателем условий рассеивания примесей в мегаполисе.

• Изучение влияния процессов синоптического и регионального масштаба на нехарактерную изменчивость концентрации приземного озона по наблюдениям в удаленном от антропогенных источников районе; анализ пространственной неоднородности поля приземного озона в мегаполисе, изучение ее временной и сезонной изменчивости, зависимости от процессов городского и регионального масштабов, разработка синоптико-статистической модели аномальных уровней приземного озона в мегаполисе.

• Разработка системы прогнозирования экологически неблагоприятных ситуаций с использованием данных численных моделей атмосферы и химических транспортных моделей; разработка методической основы постобработки модельных прогнозов загрязнения для практического использования результатов моделирования.

Практическая значимость.

диагностировать и учитывать в прогнозах метеорологических условий и загрязнения специфические процессы в городском воздухе, а за счет снижения числа ложных тревог НМУ повысить успешность этих прогнозов.

модельных расчетов к требованиям пользователя. •

Апробация работы.

Информация о работе

Кузнецова, Ирина Николаевна
доктора географических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.30

Диссертация

Особенности атмосферных процессов, влияющих на загрязнение воздуха в Московском регионе, и методы их краткосрочного прогноза - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Особенности атмосферных процессов, влияющих на загрязнение воздуха в Московском регионе, и методы их краткосрочного прогноза - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы